CN111902760A - 透镜系统、摄像装置及摄像系统 - Google Patents

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Abstract

在摄像元件(12)上成像的透镜系统(IL)具备沿着光轴(D1)从物体侧朝像面侧依次排列的第一透镜元件(L1)、第二透镜元件(L2)及第三透镜元件(L3)和光阑(A)。透镜系统在第一透镜元件和第二透镜元件中的至少一方具有相对于光轴为非对称的自由曲面。第一透镜元件的物体侧的面形状朝物体侧凸出。第二透镜元件的像面侧的面形状朝物体侧凸出。第三透镜元件的物体侧的面形状朝像面侧凸出。透镜系统在比光阑靠像面侧的位置具有一个以上的自由曲面。

Description

透镜系统、摄像装置及摄像系统
技术领域
本公开涉及透镜系统、摄像装置及摄像系统。
背景技术
专利文献1公开了一种通过长方形的图像传感器来拍摄全景图像的方法。专利文献1通过在鱼眼物镜使用圆环透镜而使圆形图像成为矩形图像。由此，在长方形的图像传感器中，能够使矩形图像成像于矩形的摄像元件来拍摄全景图像。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2003/010599号
发明内容
发明要解决的课题
本公开提供一种在摄像元件上的成像中能够在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近的透镜系统、摄像装置及摄像系统。
用于解决课题的手段
本公开的透镜系统是在摄像元件上成像的透镜系统。透镜系统具备沿着光轴从物体侧朝像面侧依次排列的第一透镜元件、第二透镜元件及第三透镜元件和光阑。透镜系统在第一透镜元件和第二透镜元件中的至少一方具有相对于光轴为非对称的自由曲面。第一透镜元件的物体侧的面形状朝物体侧凸出。第二透镜元件的像面侧的面形状朝物体侧凸出。第三透镜元件的物体侧的面形状朝像面侧凸出。透镜系统在比光阑靠像面侧的位置具有一个以上的自由曲面。
本公开的摄像装置具备透镜系统和摄像元件。摄像元件拍摄经由透镜系统而成像的像。
本公开的摄像系统具备摄像装置和图像处理部。图像处理部进行针对由摄像装置拍摄的图像的图像处理。
发明效果
根据本公开，能够提供在摄像元件上的成像中能够在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近的透镜系统、摄像装置及摄像系统。
附图说明
图1是示出本公开的实施方式1的摄像装置的结构的图。
图2是示出实施例1的透镜系统的结构的透镜配置图。
图3是示出数值实施例1的透镜系统中的视场角与像点的关系的散布图。
图4是示出数值实施例1中的透镜系统的面数据的图。
图5是示出数值实施例1中的透镜系统的各种数据的图。
图6是示出数值实施例1的透镜系统中的第三个面的自由曲面数据的图。
图7是示出数值实施例1的透镜系统中的第四个面的自由曲面数据的图。
图8是示出数值实施例1的透镜系统中的第五个面的自由曲面数据的图。
图9是示出数值实施例1的透镜系统中的第六个面的自由曲面数据的图。
图10是示出数值实施例1的透镜系统中的第七个面的非球面数据的图。
图11是示出数值实施例1的透镜系统中的第八个面的非球面数据的图。
图12是示出数值实施例1的透镜系统中的第十三个面的自由曲面数据的图。
图13是示出数值实施例1的透镜系统中的第十四个面的自由曲面数据的图。
图14是示出数值实施例1中的透镜系统的各种像差的像差图。
图15是示出实施方式1的透镜系统中的各种条件的充足性的图表。
图16是示出实施例2的透镜系统的结构的透镜配置图。
图17是示出数值实施例2中的透镜系统的面数据的图。
图18是示出数值实施例2中的透镜系统的各种数据的图。
图19是示出数值实施例2的透镜系统中的第二个面的自由曲面数据的图。
图20是示出数值实施例2的透镜系统中的第三个面的自由曲面数据的图。
图21是示出数值实施例2的透镜系统中的第四个面的自由曲面数据的图。
图22是示出数值实施例2的透镜系统中的第五个面的自由曲面数据的图。
图23是示出数值实施例2的透镜系统中的第六个面的自由曲面数据的图。
图24是示出数值实施例2的透镜系统中的第七个面的非球面数据的图。
图25是示出数值实施例2的透镜系统中的第八个面的非球面数据的图。
图26是示出数值实施例2的透镜系统中的第十三个面的自由曲面数据的图。
图27是示出数值实施例2的透镜系统中的第十四个面的自由曲面数据的图。
图28是示出数值实施例2的透镜系统中的视场角与像点的关系的散布图。
图29是示出数值实施例2中的透镜系统的各种像差的像差图。
图30是示出实施例3的透镜系统的结构的透镜配置图。
图31是示出数值实施例3中的透镜系统的面数据的图。
图32是示出数值实施例3中的透镜系统的各种数据的图。
图33是示出数值实施例3的透镜系统中的第三个面的自由曲面数据的图。
图34是示出数值实施例3的透镜系统中的第四个面的自由曲面数据的图。
图35是示出数值实施例3的透镜系统中的第五个面的自由曲面数据的图。
图36是示出数值实施例3的透镜系统中的第六个面的自由曲面数据的图。
图37是示出数值实施例3的透镜系统中的第七个面的非球面数据的图。
图38是示出数值实施例3的透镜系统中的第八个面的非球面数据的图。
图39是示出数值实施例3的透镜系统中的第十三个面的自由曲面数据的图。
图40是示出数值实施例3的透镜系统中的第十四个面的非球面数据的图。
图41是示出数值实施例3的透镜系统中的视场角与像点的关系的散布图。
图42是示出数值实施例3中的透镜系统的各种像差的像差图。
图43是示出实施例4的透镜系统的结构的透镜配置图。
图44是示出数值实施例4中的透镜系统的面数据的图。
图45是示出数值实施例4中的透镜系统的各种数据的图。
图46是示出数值实施例4的透镜系统中的第一个面的自由曲面数据的图。
图47是示出数值实施例4的透镜系统中的第二个面的自由曲面数据的图。
图48是示出数值实施例4的透镜系统中的第三个面的非球面数据的图。
图49是示出数值实施例4的透镜系统中的第四个面的非球面数据的图。
图50是示出数值实施例4的透镜系统中的第五个面的自由曲面数据的图。
图51是示出数值实施例4的透镜系统中的第六个面的自由曲面数据的图。
图52是示出数值实施例4的透镜系统中的第七个面的非球面数据的图。
图53是示出数值实施例4的透镜系统中的第八个面的非球面数据的图。
图54是示出数值实施例4的透镜系统中的第十三个面的自由曲面数据的图。
图55是示出数值实施例4的透镜系统中的第十四个面的自由曲面数据的图。
图56是示出数值实施例4的透镜系统中的视场角与像点的关系的散布图。
图57是示出数值实施例4中的透镜系统的各种像差的像差图。
图58是示出实施方式2中的摄像系统的结构的图。
图59是用于说明实施方式2中的摄像装置的水平方向的视场角的图。
图60是用于说明实施方式2中的摄像装置的垂直方向的视场角的图。
图61是用于说明在车载用途的摄像系统中设想的问题点的图。
图62是用于说明解决图61的问题点的方法的图。
具体实施方式
以下，适当参照附图对实施方式详细进行说明。但是，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明或者针对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员容易理解。
需要说明的是，申请人为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供了附图及以下的说明，并非意在通过这些内容来限定权利要求书所记载的主题。
(实施方式1)
以下，使用附图对本公开的透镜系统及摄像装置的实施方式1进行说明。
1.关于摄像装置
使用图1对本实施方式的摄像装置进行说明。图1是示出本实施方式的摄像装置10的结构的图。
例如如图1所示，本实施方式的摄像装置10在壳体11的内部具备透镜系统IL、摄像元件12以及信号处理电路13。摄像装置10是拍摄包括各种被摄体的物体的相机。以下，将摄像装置10中的光轴D1的方向设为Z方向，将与Z方向正交的水平方向设为X方向，将与Z、X方向正交的垂直方向设为Y方向。
透镜系统IL获取从摄像装置10的外部入射的光，将由获取的光产生的被摄体等的像成像于摄像元件12的摄像面。透镜系统IL例如由折射光学系统构成。之后对透镜系统IL详细叙述。以下，如图1所示，将透镜系统IL中的+Z侧设为像面侧，将-Z侧设为物体侧。
摄像元件12例如是CCD或CMOS图像传感器。摄像元件12具有将多个像素等间隔地二维配置的摄像面。摄像元件12拍摄经由透镜系统IL而成像于摄像面的像，生成表示摄像图像的图像信号。摄像元件12的摄像面例如是具有长边及短边的矩形状。摄像元件12的长边与X方向平行，短边与Y方向平行。
信号处理电路13是对来自摄像元件12的图像信号实施规定的图像处理的图像处理部的一例。图像处理例如是伽马校正及失真校正等。摄像装置10还可以具备用于将信号处理电路13进行信号处理后的图像信号向外部设备输出的接口电路等。另外，信号处理电路13等图像处理部也可以设置于摄像装置10的外部。
在以上那样的摄像装置10中，本实施方式的透镜系统IL实现在将摄像图像的视场角确保得较宽的同时在摄像元件12的摄像面上放大中央附近这样的成像。以下，对本实施方式的透镜系统IL详细进行说明。
2.关于透镜系统
作为具体地实施本实施方式的透镜系统IL的一例，以下对透镜系统IL的实施例1～4进行说明。
2-1.实施例1
使用图2～14对实施例1的透镜系统IL1进行说明。
图2是示出实施例1的透镜系统IL1的结构的透镜配置图。以下的各透镜配置图例如在透镜系统IL1的无限远对焦状态下示出各种透镜的配置。图2的(a)示出本实施例的透镜系统IL1的YZ剖面中的透镜配置图。图2的(b)示出透镜系统IL1的XZ剖面中的透镜配置图。YZ剖面及XZ剖面分别是沿着透镜系统IL1的光轴D1的假想的剖面。
在图2的(a)中，标注了记号“＊”的曲面表示自由曲面。自由曲面是相对于光轴D1为旋转非对称的曲面，例如是后述的XY多项式面(参照式(E1))。需要说明的是，在图2的(b)中省略了各种标记。
本实施例的透镜系统IL1具备七片透镜元件L1～L7和光阑A。如图2的(a)所示，在透镜系统IL1中，第一透镜元件L1～第七透镜元件L7从物体侧向像面侧依次沿着光轴D1排列。光阑A是孔径光阑。
在本实施例中，第一透镜元件L1是具有负弯月形状的球面透镜。第一透镜元件L1将凸面朝向物体侧而配置。第二透镜元件L2例如在物体侧和像面侧这两侧具有自由曲面，使得光焦度(即屈光力)成为负。第二透镜元件L2的两侧的面形状朝向物体侧凸出。第三透镜元件L3例如在两侧具有自由曲面，使得具有负的光焦度。第三透镜元件L3的两侧的面形状朝像面侧凸出。
另外，第四透镜元件L4例如由非球面透镜构成，具有双凸形状。在第四透镜元件L4与第五透镜元件L5之间配置有光阑A。第五透镜元件L5是具有双凸形状的球面透镜。第五透镜元件L5与第六透镜元件L6接合。第六透镜元件L6是具有负弯月形状的球面透镜。
在本实施例中，第七透镜元件L7例如在两侧具有自由曲面，使得具有正的光焦度。第七透镜元件L7的物体侧的面形状朝物体侧凸出。第七透镜元件L7的像面侧的面形状如图2的(a)所示那样在XZ剖面中朝物体侧凸出，另一方面，如图2的(b)所示那样在YZ剖面中朝像面侧凸出。
在以上那样的本实施例的透镜系统IL1中，最靠物体侧的第一透镜元件L1的面形状朝物体侧凸出，因此，从物体侧的宽范围向透镜系统IL1获取光，容易将视场角确保得较宽。另外，通过第二透镜元件L2的像面侧的面形状朝物体侧凸出、并且第三透镜元件L3的物体侧的面形状朝像面侧凸出，在第二透镜元件L2及第三透镜元件L3之间形成空气透镜。
此外，在第一透镜元件L1及第二透镜元件L2中的第二透镜元件L2设置有自由曲面，并且，在比光阑A靠像面侧的第七透镜元件L7设置有自由曲面。根据以上的透镜系统IL1，相对于光轴D1非对称地控制从物体侧获取的光线，能够得到在像面上放大了中央附近的像。使用图3对这样的透镜系统IL1的作用效果进行说明。
图3是示出本实施例的透镜系统IL1中的视场角与像点P1的关系的散布图。在图3中，按照透镜系统IL1的视场角整体的每个规定的角度宽度，绘制使入射的光在像面上成像的像点P1。该角度宽度被设定为10°。另外，透镜系统IL1被设定为无限远对焦状态。
图3的绘制是基于以数值的形式实施实施例1的透镜系统IL1的数值实施例1而得到的。之后叙述透镜系统IL1的数值实施例1。在图3中，在以光轴D1的位置为原点的像面的XY平面中，例示出第一象限的像点P1。由于本实施例的透镜系统IL1相对于X轴及Y轴为线对称，因此，关于第二象限～第四象限，也与图3相同。
根据图3，在本实施例的透镜系统IL1中，上述的每个角度宽度的像点P1的个数沿着X轴为10个，沿着Y轴为9个。即，实现了在X方向上为100°的半视场角且在Y方向上为90°的半视场角这样的宽视场角。此外，像点P1之间的间隔在X方向上和在Y方向上都是越接近原点O越大。即，在像面上的中央附近的规定范围的区域，能够使与端部相比放大的像成像。
根据上述那样的像的中央放大，摄像元件12的摄像面上的像素在中央附近被放大的区域，与其他区域相比分配得相对多(即，紧密)。因此，本实施方式的摄像装置10能够在确保宽视场角的同时，越是中央附近，越能够以高分辨率进行拍摄。根据图3，尤其是在Y方向上，像点P1之间的间隔的变化显著。由此，在本实施方式的摄像装置10中，能够拍摄垂直方向上的宽范围，同时能够使垂直方向的中央附近成为高分辨率。
另外，例如当代替上述的透镜系统IL1中的全部的自由曲面而使用变形非球面时，由于原点O的周围的旋转对称性，认为在X轴及Y轴之间的对角方向上性能不足。与此相对，在本实施方式的透镜系统IL中，通过使用非旋转对称的自由曲面，如图3所示，在对角方向上也能够将视场角确保得较宽，同时越靠中央附近越增大像点P1之间的间隔。
参照图4～14，对与以上那样的实施例1的透镜系统IL1对应的数值实施例1进行说明。
图4是示出数值实施例1中的透镜系统IL1的面数据的图。针对在透镜系统IL1中从物体侧依次排列的各面s1～s14，图4的面数据示出各个面的类型、mm单位的曲率半径r及面间隔d、相对于d线的各透镜元件的折射率nd及阿贝数(Abbe number)vd。面的类型包括球面、非球面、以及作为自由曲面的XY多项式面。
图5是示出数值实施例1中的透镜系统IL1的各种数据的图。图5的各种数据示出本数值实施例的F值、垂直半视场角、水平半视场角、垂直半视场角中的垂直像高、水平半视场角中的水平像高、垂直半视场角中的水平像高、以及光学全长。各种像高及光学全长的单位为“mm”，各半视场角的单位为
Figure BDA0002696723840000093
图6是示出数值实施例1的透镜系统IL1中的第三个面s3的自由曲面数据的图。针对第二透镜元件L2的物体侧的面，图6的自由曲面数据示出规定作为自由曲面的XY多项式面的XY多项式的各种系数。XY多项式如下式(E1)那样表示。
[数式1]
Figure BDA0002696723840000091
Figure BDA0002696723840000092
在上式(E1)中，c是顶点曲率，k是圆锥常数，cj是系数。在上式(E1)的右边第二项中，例如j为2以上且66以下的整数，取各j的总和。根据上式(E1)，规定了作为对象的面上的(x，y)坐标的位置处的凹陷量z。
图7～9分别是示出数值实施例1的透镜系统IL1中的第四个面s4～第六个面s6的自由曲面数据的图。针对第二透镜元件L2的像面侧的面，图7的自由曲面数据与图6同样地示出式(E1)的各种系数。同样地，图8、9的各自由曲面数据分别示出第三透镜元件L3的物体侧及像面侧的面的各种系数。
图10、11分别示出数值实施例1的透镜系统IL1中的第七个面s7、第八个面s8的非球面数据的图。针对第四透镜元件L4的物体侧及像面侧的面，图10、11的各非球面数据分别示出规定非球面的形状的下式(E2)的各种系数。
[数式2]
Figure BDA0002696723840000101
在上式(E2)中，h为径向的高度，K为圆锥常数，An为n次的非球面系数。在上式(E2)的右边第二项中，例如n为4以上且20以下的偶数，取各n的总和。根据上式(E1)，作为对象的面上的径向的高度h中的凹陷量z被规定为旋转对称。
图12、13分别是示出数值实施例1的透镜系统IL1中的第十三个面s13、第十四个面s14的自由曲面数据的图。针对第七透镜元件L7的物体侧及像面侧的面，图12、13的自由曲面数据分别与图6同样地示出式(E1)的各种系数。
图14是示出本实施例中的透镜系统IL1的各种像差的像差图。以下的各像差图例示出无限远对焦状态下的各种纵像差。图14的(a)示出透镜系统IL1中的球面像差“SA”。图14的(b)、(c)、(d)分别示出Y方向上的像散“AST-V”、X方向上的像散“AST-H”、以及对角方向上的像散“AST-D”。
图14的(a)～(d)的横轴分别以mm单位表示。图14的(a)的纵轴以光瞳高度为基准。在图14的(a)中，示出相对于d线、F线及c线的球面像差的特性曲线。另外，图14的(b)～(d)的纵轴以半视场角为基准。在图14的(b)～(d)中，分别示出沿着X方向与光轴D1的XZ剖面或者沿着Y方向与光轴D1的YZ剖面所相关的像散的特性曲线。
需要说明的是，在本实施方式中，例如如图6～9、12、13所示，在各自由曲面中仅使用XY多项式的x及y的偶数项。因此，对角方向的像差“AST-D”等在第一象限～第四象限中都相同。
3-2.关于各种条件
使用以上的透镜系统IL1的数值实施例1，参照图15对本实施方式的透镜系统IL满足的各种条件进行说明。
图15是示出本实施方式的透镜系统IL中的各种条件的充足性的图表。图15所示的图表示出本实施方式的透镜系统IL在各数值实施例1～4中分别满足下述的条件式(1)～(7)。在图15中，在透镜元件L1～L3、L7的附近标注的“-Z”表示为物体侧的面，“+Z”表示为像面侧的面。例如“L7(+Z)”表示第七透镜元件L7的像面侧的面。
条件式(1)如以下那样表示。
0.01＜|Smax-Smin|/IH＜0.65...(1)
其中，Smax是最长像高的60％的高度中的自由曲面的凹陷量的最大值，即最大凹陷量。Smin是最长像高的60％的高度中的该自由曲面的凹陷量的最小值，即最小凹陷量。IH是最长像高的60％的高度部分的长度。
在上式(1)中，最大凹陷量及最小凹陷量在上述的高度中的整周范围内被测定。例如，在自由曲面相对于X轴及Y轴为线对称的情况下，最大凹陷量及最小凹陷量是X轴及Y轴上的上述高度中的凹陷量。凹陷量例如具有与Z方向上的朝向相应的正负。
当低于条件式(1)的下限时，凹陷量的差异过少，难以得到在放大中央附近的同时将视场角获取得较宽的效果。另外，需要增加透镜片数，引起成本上升。另一方面，当超过条件式(1)的上限时，在透镜系统IL1的制造中可能产生不利。另外，难以在垂直方向、对角方向及水平方向上分别适当地控制像散及像面弯曲。
根据数值实施例1的透镜系统IL1，如图15所示，全部的自由曲面L2(-Z)～L7(+Z)满足条件式(1)。根据条件式(1)，通过使凹陷量在自由曲面上不同而使自由曲面旋转非对称地变化，能够容易在扩宽视场角的同时，放大中央附近。需要说明的是，在本实施方式的透镜系统IL中，也可以是，并非全部的自由曲面都满足条件式(1)。
条件式(2)如以下那样表示。
Nd1＞1.7...(2)
其中，Nd1是第一透镜元件L1的d线的折射率。第一透镜元件L1例如由玻璃元件构成。例如数值实施例1的透镜系统IL1如图15所示那样满足条件式(2)。
条件式(2)是提高折射率使得在第一透镜元件L1中使从外部入射的光的光线大幅弯曲的条件。当低于条件式(2)的下限时，在第一透镜元件L1中难以获取来自宽范围的光等而难以得到在扩宽视场角的同时放大中央附近的性能。或者，需要增加透镜片数，引起成本上升。
条件式(3)如以下那样表示。
40＜Vd＜60...(3)
其中，Vd是自由曲面透镜的阿贝数。自由曲面透镜是具有至少一个自由曲面的透镜元件。例如在数值实施例1中，各自由曲面透镜L2、L3、L7如图15所示那样满足条件式(3)。
根据条件式(3)，通过将自由曲面透镜的阿贝数设定到适当的范围，能够容易得到相对于温度变化的透镜系统IL1的成像性能。当超过条件式(3)的上限或者低于下限时，难以确保温度变化时的成像性能。另外，在温度变化时，色差较大地变化，难以适当地进行控制。
条件式(4)如以下那样表示。
Nd＞1.5...(4)
其中，Nd是自由曲面透镜的d线的折射率。例如在数值实施例1中，各自由曲面透镜L2、L3、L7如图15所示那样满足条件式(4)。
根据条件式(4)，在透镜系统IL1中使用高折射率的自由曲面透镜，能够容易地将光线控制为旋转非对称。当低于条件式(4)的下限时，难以得到上述的效果。或者，需要增加透镜片数，引起成本上升。另外，难以在获取中央放大及垂直视场角的同时，适当地控制球面像差、慧差。
条件式(5)如以下那样表示。
Hω-Vω＜20...(5)
其中，Hω是水平方向(即X方向)的半视场角。Vω是垂直方向(即Y方向)的半视场角。
在数值实施例1中，根据图5，Hω＝100°且Vω＝90°，因此，满足条件式(5)。当超过条件式(5)的上限时，在水平方向及垂直方向上都难以得到广角的效果。
条件式(6)如以下那样表示。
0≤|NN-NP|≤2...(6)
其中，NN是具有自由曲面且具有负的光焦度的透镜元件的片数。NP是具有自由曲面且具有正的光焦度的透镜元件的片数。上式(6)中的NN及NP的光焦度的正负例如也可以在YZ剖面和XZ剖面中的任一方被判定。
根据数值实施例1，自由曲面透镜L2、L3、L7中的两片自由曲面透镜的光焦度为负，另一方面，一片自由曲面透镜的光焦度为正，因此，如图15所示，满足条件式(6)。根据条件式(6)，能够容易得到相对于温度变化的透镜系统IL1的成像性能。当超过条件式(6)的上限或者低于下限时，难以得到温度变化时的成像性能。在温度变化时，色差大幅变化，难以进行适当的控制。另外，难以适当地控制在温度变化时产生的后焦距的偏移。
条件式(7)如以下那样表示。
|ΔNdF/ΔNd1|＞10...(7)
其中，ΔNd1是第一透镜元件L1的相对于25℃起的温度变化的d线的折射率变化率。ΔNdF是具有自由曲面的透镜元件的相对于25℃起的温度变化的d线的折射率变化率。
图15示出各数值实施例中的各个折射率变化率ΔNd1、ΔNdF。例如数值实施例1的透镜系统IL1满足条件式(7)。根据条件式(7)，能够容易得到相对于温度变化的透镜系统IL1的成像性能。当低于条件式(7)的下限时，难以得到温度变化时的成像性能。在温度变化时，色差大幅变化，难以进行适当的控制。另外，难以适当地控制在温度变化时产生的后焦距的偏移。
2-3.实施例2
本实施方式的透镜系统IL不限于上述的实施例1的透镜系统IL1，能够以各种方式进行实施。使用图16～图29，对实施例2的透镜系统IL2进行说明。
图16示出实施例2的透镜系统IL2的结构。图16的(a)、(b)分别与图2的(a)、(b)同样地示出透镜系统IL2的透镜配置图。
实施例2的透镜系统IL2从与实施例1同样的结构变更了各种透镜元件L1～L7的形状等。例如，在第一透镜元件L1的像面侧设置有自由曲面。图17～29示出与实施例2的透镜系统IL2对应的数值实施例。
图17是示出数值实施例2中的透镜系统IL2的面数据的图。图18是示出本实施例中的透镜系统IL2的各种数据的图。图17、18分别与数值实施例1的图4、5同样地示出各数据。
图19～23分别是示出本实施例的透镜系统IL2中的第二个面s2～第六个面s6的自由曲面数据的图。针对第一透镜元件L1的像面侧的面，图19的自由曲面数据与数值实施例1同样地示出式(E1)的各种系数。另外，图20～23分别与图6～图9同样地示出各自由曲面数据。
图24、25分别与图10、11同样地示出本实施例的透镜系统IL2中的第七个面s7、第八个面s8的非球面数据。图26、27分别与图12、13同样地示出透镜系统IL2中的第十三个面s13、第十四个面s14的自由曲面数据。
基于以上的数值实施例2，图28示出本实施例的透镜系统IL2中的视场角与像点P2的关系。如图28所示，根据本实施例的透镜系统IL2，也能够与实施例1同样地实现了在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近的成像。
图29示出本实施例中的透镜系统IL2的各种像差。图29的(a)、(b)、(c)、(d)分别与图14的(a)～(d)同样地示出本实施例中的透镜系统IL2的各像差图。
另外，如图15所示，本实施例的透镜系统IL2满足上述的各条件式(1)～(7)。例如，关于条件式(1)，本实施例的第二透镜元件L2的像面侧的自由曲面L2(+Z)具有上限值附近的“0.623”这样的值。由此，也能够得到与实施例1同样的效果。
2-4.实施例3
在本实施方式的透镜系统IL中，比光阑A靠像面侧的自由曲面的个数也可以为1个以上。在实施例3中，使用图30～42，说明在比光阑A靠像面侧的位置具有一个自由曲面的透镜系统IL3的例子。
图30示出实施例3的透镜系统IL3的结构。图30的(a)、(b)分别与图2的(a)、(b)同样地示出透镜系统IL3的透镜配置图。
实施例3的透镜系统IL3在与实施例1同样的结构中，将第七透镜元件L7的像面侧的面从自由曲面变更为非球面。在本实施例中，比光阑A靠像面侧的自由曲面仅为第七透镜元件L7的物体侧的一个。图31～42示出与实施例3的透镜系统IL3对应的数值实施例。
图31与数值实施例1的图4同样地示出数值实施例3中的透镜系统IL3的面数据。图32与图5同样地示出本实施例中的透镜系统IL3的各种数据。
图33～36分别与数值实施例1同样地示出数值实施例3的透镜系统IL3中的第二个面s2～第六个面s6的自由曲面数据。图37、38分别与图10、11同样地示出本实施例的透镜系统IL3中的第七个面s7、第八个面s8的非球面数据。
图39与图12同样地示出本实施例的透镜系统IL3中的第十三个面s13的自由曲面数据。图40示出本实施例的透镜系统IL3中的第十四个面s14的非球面数据。针对第七透镜元件L7的像面侧的面，图40的非球面数据与上述的非球面数据同样地示出式(E2)的各种系数。
基于以上的数值实施例3，图41示出本实施例的透镜系统IL3中的视场角与像点P3的关系。如图41所示，根据本实施例的透镜系统IL3，也能够实现在将视场角确保得较宽的同时放大了中央附近的成像。
图42示出本实施例中的透镜系统IL3的各种像差。图42的(a)、(b)、(c)、(d)分别与图14的(a)～(d)同样地示出本实施例中的透镜系统IL3的各像差图。另外，如图15所示，本实施例的透镜系统IL3也满足各条件式(1)～(7)。
2-5.实施例4
在本实施方式的透镜系统IL中，第一透镜元件L1及第二透镜元件L2中的至少一方也可以具有自由曲面。在实施例4中，使用图43～57，说明第一透镜元件L1具有自由曲面、而第二透镜元件L2不具有自由曲面的透镜系统IL4的例子。
图43是示出实施例4的透镜系统IL4的结构。图43的(a)、(b)分别与图2的(a)、(b)同样地示出透镜系统IL4的透镜配置图
实施例4的透镜系统IL4在与实施例1同样的结构中，将第一透镜元件L1的两面变更为自由曲面，并且，将第二透镜元件L2的两面变更为非球面。图44～57示出与实施例4的透镜系统IL4对应的数值实施例。
图44与数值实施例1的图4同样地示出数值实施例4中的透镜系统IL4的面数据。图45与图5同样地示出本实施例中的透镜系统IL4的各种数据。
图46、47分别示出本实施例的透镜系统IL4中的第一个面s1、第二个面s2的自由曲面数据。针对第一透镜元件L1的物体侧和像面侧的两面，图46、47的各自由曲面数据与数值实施例1同样地示出式(E1)的各种系数。
图48、49分别示出本实施例的透镜系统IL4中的第三个面s3、第四个面s4的非球面数据。针对第二透镜元件L2的两面，图48、49的各非球面数据与数值实施例1同样地示出式(E2)的各种系数。
图50、51分别与图8、9同样地示出本实施例的透镜系统IL4中的第五个面s5、第六个面s6的自由曲面数据。图52、53分别与图10、11同样地示出透镜系统IL4中的第七个面s7、第八个面s8的非球面数据。图54、55分别与图12、13同样地示出透镜系统IL4中的第十三个面s13、第十四个面s14的自由曲面数据。
基于以上的数值实施例4，图56示出本实施例的透镜系统IL4中的视场角与像点P4的关系。如图56所示，根据本实施例的透镜系统IL4，也能够实现在将视场角确保得较宽的同时放大了中央附近的成像。
图57示出本实施例中的透镜系统IL4的各种像差。图57的(a)、(b)、(c)、(d)分别与图14的(a)～(d)同样地示出本实施例中的透镜系统IL4的各像差图。另外，如图15所示，本实施例的透镜系统IL4也满足各条件式(1)～(7)。
(实施方式2)
以下，使用附图对实施方式2进行说明。在实施方式2中，说明将具备上述的透镜系统IL的摄像装置10应用于车载用途的例子。
以下，适当省略与实施方式1同样的结构及动作的说明，对本实施方式的摄像系统进行说明。
1.结构
图58是示出实施方式2中的摄像系统的结构的图。在图58的例子中，摄像装置10应用于机动车等车辆100的后置相机。摄像装置10拍摄车辆100后方的被摄体，生成图像数据。摄像装置10以朝向后方的方式安装于车辆100，使得拍摄车辆100后方的场景。
车辆100具备对来自摄像装置10的图像数据进行处理的控制装置20、基于由控制装置20处理后的图像数据来显示图像的显示装置30、以及由控制装置20控制的控制对象60。摄像装置10和控制装置20构成摄像系统。摄像系统也可以在控制装置20的基础上或者代替控制装置20而包括显示装置30。
控制装置20是从摄像装置10取得图像数据的图像处理部的一例。例如，控制装置20通过图像解析来识别车辆100后方的人物、自行车及车障碍物等各种对象，根据需要对控制对象60进行控制。控制对象60例如是制动器、加速器及警告装置等。另外，控制装置20对来自摄像装置10的图像数据实施规定的图像处理，生成显示装置30所显示的图像数据。
控制装置20包括例如通过执行存放于闪速存储器等内部存储器的程序而实现各种功能的CPU或MPU等。控制装置20也可以包括为了实现所希望的功能而设计的专用的硬件电路。即，控制装置20也可以包括CPU、MPU、DSP、FPGA或ASIC等。
显示装置30是电子车室内镜或车载显示器等。显示装置30具备液晶显示面板或有机EL显示器等显示设备、以及驱动显示设备的驱动电路。显示装置30例如在车辆100后退时，显示由摄像装置10拍摄到的车辆100后方的场景的图像。驾驶员在车辆100的后退时能够通过确认该图像而掌握车辆100后方的状况，能够使车辆100安全地后退。
在本实施方式的摄像系统中，图59、60例示出摄像装置10能够拍摄的范围。图59是例示出摄像装置10的水平方向的视场角的图。图60是例示出摄像装置10的垂直方向的视场角的图。
例如如图59所示，摄像装置10能够在水平方向上拍摄视场角200°的范围，另外，如图60所例示，摄像装置10能够在垂直方向上拍摄180°的范围。这样，根据本实施方式的摄像装置10，能够实现较宽的视场角的拍摄。在图60的例子中，摄像装置10具有规定的俯角而安装于车辆100的后部保险杠等。
2.动作
以下对如上那样构成的摄像系统的动作进行说明。
在本实施方式的摄像系统中，通过具备上述的透镜系统IL的摄像装置10，例如能够解决设想为在图59、60那样的状况下在垂直方向上以较宽的视场角拍摄图像的情况的问题点。使用图60、61，对在车载用途的摄像系统中设想的问题点进行说明。图61的(A)例示出由以往的后置相机拍摄的摄像图像。图61的(B)示出从图61的(A)扩宽了视场角的情况下的摄像图像的一例。
如图60所示，在人210在车辆100的后方位于接近车辆100的距离(例如0.3m)的情况下，如果垂直方向上的能够拍摄的视场角范围较窄，则包括人210的面部的部分从视场角的范围脱离。因此，在摄像图像中，不再包括人210的面部，在基于摄像图像的图像解析中，可能检测不到人。尤其是由于摄像装置10具有俯角而安装于车辆100，因此，在人位于车辆100的附近的情况下，成为更加难以拍摄到该面部的状况。对此，为了更加可靠地使包括人的面部的部分包含在视场角范围内，考虑扩宽摄像装置10的垂直方向的视场角。但是，在仅仅扩宽垂直方向的视场角时，还考虑如下的问题。
例如，如图61的(A)所示，在垂直方向的视场角为150°的情况下，当人210的上部从视场角范围脱离时，如图61的(B)所示，考虑将垂直方向的视场角放大30°而使其成为180°。由此，人210的比肩靠上的部分也进入视场角范围内，在摄像图像中包括人210的面部。在该情况下，图61的(B)所示的摄像图像是与图61的(A)所示的摄像图像相同的图像尺寸，并且包括更宽的被摄体范围。因此，图61的(B)所示的摄像图像内所包含的各对象的尺寸小于图61的(A)所示的摄像图像内所包含的各对象的尺寸。
例如，在图61的(B)的摄像图像中位于远离车辆100的位置的人220的尺寸小于图61的(A)的人220的尺寸。因此，人220的面部部分的图像的分辨率不足，产生无法通过针对人220的图像解析来进行面部检测这样的问题。尤其是在人220为小孩的情况下，面部的尺寸小，因此，该问题变得更加显著。
在本实施方式的摄像装置10中，针对解决上述问题点的方法，使用图62进行说明。图62的(A)例示出与图61的(B)同样的摄像图像。图62的(B)例示出与图62的(A)相同的状况下的由本实施方式的摄像装置10拍摄的摄像图像。
图62的(A)所示的图像与图61的(A)、(B)同样地，通过以均匀的放大率成像而得到。对此，本实施方式的摄像装置10通过上述的透镜系统IL，使被摄体的像在摄像元件12上成像，使得垂直方向整体上放大视场角，并且，针对想要注视的中央部等图像区域，得到足够的分辨率。由此，在本实施方式的摄像装置10中，图62的(B)所示那样的图像在摄像元件12上成像。
图62的(B)所示的图像的垂直方向的视场角与图62的(A)所示的图像同样地确保了180°，并且，与图62的(A)所示的图像比较，更加放大了图像中央部的像，上下的端部(即30°的视场角范围)的像被压缩。由此，能够在垂直方向上实现较宽的视场角，并且，在想要注视的中央部的区域能够得到高分辨率的图像。由此，能够解决上述的问题点。
即，根据本实施的方式的摄像装置10，由于在垂直方向上具有较宽的视场角，因此，即便在如图60所示那样人位于靠近车辆100的后方的位置的情况下，也如图62的(B)所示那样能够拍摄包括人的上部(即，包括面部的部分)的图像。因此，通过基于图像解析的面部检测，能够更加可靠地检测人。此外，根据本实施的方式的摄像装置10，能够在作为感测重要的区域的拍摄范围的中央部分生成分辨率高的图像。因此，例如，即便在车辆100后方的拍摄范围的中央区域存在小孩的情况下，由于放大拍摄，因此，针对图像解析也能够得到足够的尺寸的图像数据。因此，即便是身体的大小较小的孩子，也能够更加可靠地进行识别。
这样，根据本实施的方式的摄像装置10，能够在较宽的视场角范围内进行拍摄，并且，针对处于拍摄范围的中央部的被摄体，能够以高分辨率拍摄图像。因此，能够提高使用了拍摄图像的图像解析的精度。
3.总结
如以上那样，本实施方式的摄像系统具备摄像装置10、以及图像处理部的一例的控制装置20。控制装置20针对由摄像装置10拍摄到的图像进行图像处理。
根据以上的摄像系统，通过摄像装置10的透镜系统IL，能够在确保整体上较宽的视场角的同时，进行提高了感测等所需的中央部分的图像的分辨率的图像的摄像。因此，能够提高摄像图像的解析精度。另外，通过使在摄像面上成像的像的垂直方向的分辨率与水平方向的分辨率积极地变化，能够与图像传感器12的纵横比无关地任意设定光学系统的水平视场角及垂直视场角。
(其他实施方式)
如以上那样，作为在本申请中公开的技术例示，说明了实施方式1、2。但是，本公开中的技术不限于此，也能够应用于适当进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。另外，也能够组合在上述各实施方式中说明的各结构要素而形成新的实施方式。对此，以下例示出其他实施方式。
在上述的实施方式1中，说明了透镜系统IL具备七片透镜元件L1～L7的例子。本实施方式的透镜系统IL中的透镜元件的片数不限于七片，也可以是八片以上，还可以是六片以下。
另外，在上述的实施方式2中，将摄像装置10配置为拍摄车辆后方的场景，但也可以将摄像装置10配置为拍摄车辆的前方或侧方的场景。
另外，在上述的各实施方式中，作为应用摄像装置10的移动体的一例，说明了机动车的车辆100，但移动体不限于机动车。也可以将上述的实施方式的摄像装置应用于其他移动体，例如、铁路、船舶、飞机、机器人、机械臂、无人机、联合收割机等农业用机械、或者起重机等建设用机械。或者也可以将摄像装置10应用于监视相机。
另外，在上述的各实施方式中，在摄像装置10中进行了针对图像的伽马校正、失真校正等，但也可以在控制装置20中进行这些图像处理。或者，也可以在摄像装置10中进行伽马校正，在控制装置20中进行失真校正。
另外，上述的各实施方式所示的视场角及分辨率等是一例，能够根据作为图像解析的对象的物体及事项等而适当进行设定。
如以上那样，作为本公开中的技术例示而说明了实施方式。为此，提供了附图及详细说明。
因此，在附图及详细说明所记载的构成要素中，不仅包括用于解决课题所必须的构成要素，为了例示上述技术，也可能包括不是用于解决课题所必须的构成要素。因此，不应该因为这些非必须的构成要素记载在附图、详细说明中，就直接认定为这些非必须的构成要素是必须的。
另外，上述的实施方式用于例示本公开中的技术，因此，在权利要求书或其同等的范围内，能够进行各种变更、置换、附加、省略等。
(方式的总结)
以下，例示本公开的各种方式。
本公开的第一方式是在摄像元件上成像的透镜系统。透镜系统具备沿着光轴从物体侧朝像面侧依次排列的第一透镜元件、第二透镜元件及第三透镜元件、和光阑。透镜系统在第一透镜元件和第二透镜元件中的至少一方具有相对于光轴为非对称的自由曲面。第一透镜元件的物体侧的面形状朝物体侧凸出。第二透镜元件的像面侧的面形状朝物体侧凸出。第三透镜元件的物体侧的面形状朝像面侧凸出。透镜系统在比光阑靠像面侧的位置具有一个以上的自由曲面。
根据以上的透镜系统，使用第一透镜元件及第二透镜元件中的至少一方的自由曲面、以及比光阑靠像面侧的自由曲面，在摄像元件的成像中，能够在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近。
在第二方式中，第一方式的透镜系统具有满足以下的条件式(1)的自由曲面。
0.01＜|Smax-Smin|/IH＜0.65...(1)
其中，
Smax：最长像高的60％中的该自由曲面的最大凹陷量
Smin：最长像高的60％中的该自由曲面的最小凹陷量
IH：最长像高的60％的长度。
由此，能够使自由曲面的凹陷量在适当范围内变化，容易实现在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近的成像。
在第三方式中，在第一方式或第二方式的透镜系统的基础上，第一透镜元件满足以下的条件式(2)。
Nd1＞1.7...(2)
其中，
Nd1：第一透镜元件的d线的折射率。
由此，在第一透镜元件中将折射率设定为来自外部的光线大幅弯曲，能够容易地进行视场角的确保等。
在第四方式中，在第一方式～第三方式中的任一方式的透镜系统的基础上，具有自由曲面的透镜元件满足以下的条件式(3)。
40＜Vd＜60...(3)
其中，
Vd：具有该自由曲面的透镜元件的阿贝数。
由此，在具有自由曲面的透镜元件中，通过适当地设定阿贝数，能够容易地确保相对于温度变化的透镜系统的成像性能。
在第五方式中，在第一方式～第四方式中的任一方式的透镜系统的基础上，具有自由曲面的透镜元件满足以下的条件式(4)。
Nd＞1.5...(4)
其中，
Nd：具有该自由曲面的透镜元件的d线的折射率。
由此，在透镜系统中使用高折射率的自由曲面透镜，能够容易自由地控制光线。
在第六方式中，第一方式～第五方式中的任一方式的透镜系统满足以下的条件式(5)。
Hω-Vω＜20...(5)
其中，
Hω：水平方向的半视场角
Vω：垂直方向的半视场角。
由此，在水平方向及垂直方向上容易得到广角化的效果。
在第七方式中，第一方式～第六方式中的任一方式的透镜系统满足以下的条件式(6)。
0≤|NN-NP|≤2...(6)
其中，
NN：具有自由曲面且具有负的光焦度的透镜元件的片数
NP：具有自由曲面且具有正的光焦度的透镜元件的片数。
由此，能够容易得到相对于温度变化等的透镜系统的成像性能。
在第八方式中，第一方式～第七方式中的任一方式的透镜系统满足以下的条件式(7)。
|ΔNdF/ΔNd1|＞10...(7)
其中，
ΔNd1：第一透镜元件的相对于以25℃的温度变化的d线的折射率变化率
ΔNdF：具有自由曲面的透镜元件的相对于以25℃的温度变化的d线的折射率变化率。
由此，能够容易得到相对于温度变化的透镜系统的成像性能。
第九方式是具备第一方式～第八方式中的任一方式的透镜系统、以及摄像元件的摄像装置。摄像元件拍摄经由透镜系统而成像的像。在摄像装置中，通过透镜系统，能够在摄像元件的成像中在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近。
第十方式是具备第九方式的摄像装置和图像处理部的摄像系统。图像处理部针对由摄像装置拍摄的图像进行图像处理。在摄像系统中，通过摄像装置的透镜系统，能够在摄像元件的成像中在将视场角确保得较宽的同时放大中央附近。
产业上的可利用性
本公开的透镜系统能够应用于各种用途的摄像装置，例如能够应用于车载相机、监视相机、Web相机及数码相机等。另外，也可以在更换透镜装置中提供本公开的透镜系统。

Claims (10)

1.一种透镜系统，其在摄像元件上成像，
所述透镜系统具备沿着光轴从物体侧朝像面侧依次排列的第一透镜元件、第二透镜元件及第三透镜元件和光阑，
在所述第一透镜元件和所述第二透镜元件中的至少一方具有相对于所述光轴为非对称的自由曲面，
所述第一透镜元件的物体侧的面形状朝物体侧凸出，
所述第二透镜元件的像面侧的面形状朝物体侧凸出，
所述第三透镜元件的物体侧的面形状朝像面侧凸出，
在比所述光阑靠像面侧的位置具有一个以上的自由曲面。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统具有满足以下的条件式(1)的自由曲面，
0.01＜|Smax-Smin|/IH＜0.65...(1)
其中，
Smax：最长像高的60％中的该自由曲面的最大凹陷量
Smin：最长像高的60％中的该自由曲面的最小凹陷量
IH：最长像高的60％的长度。
3.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其中，
所述第一透镜元件满足以下的条件式(2)：
Nd1＞1.7...(2)
其中，
Nd1：第一透镜元件的d线的折射率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的透镜系统，其中，
具有所述自由曲面的透镜元件满足以下的条件式(3)：
40＜Vd＜60...(3)
其中，
Vd：具有该自由曲面的透镜元件的阿贝数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的透镜系统，其中，
具有所述自由曲面的透镜元件满足以下的条件式(4)：
Nd＞1.5...(4)
其中，
Nd：具有该自由曲面的透镜元件的d线的折射率。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统满足以下的条件式(5)：
Hω-Vω＜20...(5)
其中，
Hω：水平方向的半视场角
Vω：垂直方向的半视场角。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统满足以下的条件式(6)：
0≤|NN-NP|≤2...(6)
其中，
NN：具有自由曲面且具有负的光焦度的透镜元件的片数
NP：具有自由曲面且具有正的光焦度的透镜元件的片数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统满足以下的条件式(7)：
|ΔNdF/ΔNd1|＞10...(7)
其中，
ΔNd1：第一透镜元件的相对于以25℃的温度变化的d线的折射率变化率
ΔNdF：具有自由曲面的透镜元件的相对于以25℃的温度变化的d线的折射率变化率。
9.一种摄像装置，具备：
权利要求1至8中任一项所述的透镜系统；以及
摄像元件，其拍摄经由所述透镜系统而成像的像。
10.一种摄像系统，具备：
权利要求9所述的摄像装置；以及
图像处理部，其进行针对由所述摄像装置拍摄的图像的图像处理。
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